Российские исследователи разработали фотокатализатор для водоочистки, который активируется обычным светом светодиодных ламп. В настоящее время для обеззараживания воды применяют ультрафиолетовое излучение дорогих и экологически небезопасных ртутных ламп. По словам авторов, их изобретение способно использоваться для создания новых типов очистных реакторов либо внедряться в существующие системы. Эксперты отмечают, что технология обрела бы спрос при подтверждении ее экономических преимуществ перед традиционными методами.
Очистка воды с помощью обычного светаКоманда ученых из Сколтеха разработала и запатентовала фотокатализатор, позволяющий очищать воду от органических загрязнений при помощи освещения видимым светом. Сегодня для этой задачи применяют ультрафиолет, который получают от ртутных газоразрядных ламп. Эти лампы небезопасны для окружающей среды и требуют специальной утилизации, кроме того, они обеспечивают неравномерную дезинфекцию воды.
— Мощность излучения ртутных ламп заметно падает с увеличением расстояния от облучаемого раствора, из-за чего концентрация озона, образующегося возле источника света при обеззараживании воды, может превышать санитарные нормы. Мы предлагаем замену ртутным лампам — мощные LED-светодиоды UV-LED, которые имеют такие же преимущества, как обычные светодиоды: экологичность, экономичность, длительный срок службы и низкую потерю мощности при удалении от источника, — пояснила автор патента, стажер-исследователь Центра фотоники и фотонных технологий Сколтеха Екатерина Моисеева.
Традиционно вода поступает в реактор с фотокатализатором, обычно на основе диоксида титана (TiO₂). Наночастицы TiO₂ под воздействием ультрафиолетового света активируются и вызывают разложение воды. Это порождает гидроксильные радикалы, которые разлагают органические соединения и обезвреживают биопатогены. Однако диоксид титана активируется только ультрафиолетом ртутных ламп. Ученые предложили вместо этого гибридный композит с фталоцианиновым красителем, который активируется под светом мощных светодиодов.
— Фотокатализ на основе диоксида титана работает благодаря его полупроводниковым свойствам. В гибридном материале фотон поглощается фталоцианином, а образующийся электрон переходит на диоксид титана, после чего запускается известный механизм. Таким образом, разработан фотокатализатор, способный работать при освещении видимым светом и эффективно очищать сточные воды, — объяснил профессор Центра фотоники и фотонных технологий Сколтеха Дмитрий Горин.
По сведениям разработчиков, новый фотокатализатор дешев, безвреден и обладает высокой химической и механической стабильностью. Его уникальность заключается в том, что очистка от органических веществ проходит одновременно с дезинфекцией. При этом загрязнения полностью окисляются до воды и углекислого газа или минерализуются. Такой фотокаталитический реактор можно использовать как самостоятельную установку или как дополнение к классическим очистным методам, например, песчаным и угольным фильтрам.
Исследование фотокатализатора проводилось совместно с кафедрой медицинской химии химического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова.
Экономическая перспектива— Разработанная технология очистки воды может оказаться значительно более выгодной, поскольку светодиоды служат значительно дольше ртутных ламп. Замена перегорающих ламп — это самые существенные расходы на обеззараживание. Кроме того, требуется решить проблему, куда сдавать использованные лампы. Они хрупкие и при повреждении распространяют ртуть в окружающую среду. Также светодиоды функционируют при низком напряжении, — отметил координатор программы экологизации промышленности Центра охраны дикой природы Игорь Шкрадюк.
Доцент департамента экологической безопасности и менеджмента качества продукции института экологии РУДН им. Патриса Лумумбы Татьяна Ледащева добавила, что в случае подтверждения экологической и экономической эффективности технологии, ее область применения расширится — от промышленного и бытового использования до обеспечения замкнутого водного цикла на космических станциях и очистки воды в экспедициях.
Член Общественного совета при Минприроды России Владимир Пинаев подчеркнул, что для оценки изобретения необходимо оценить стоимость технологии, доступность составляющих для системы очистки, а также влияние на экологию при добыче материалов, производстве и работе оборудования.
— Также важна апробация в промышленности на воде различного состава и в разных климатических условиях при разной интенсивности света; нужно определить скорость очистки, производительность системы и прочие параметры, — отметил Владимир Пинаев.
На сегодняшний день разработанная технология выглядит очень перспективной, однако при ее внедрении могут возникнуть сложности, добавил специалист.